本發(fā)明涉及定向鉆井施工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種近鉆頭動態(tài)井斜測量裝置和方法。

背景技術(shù)：

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，人們對于石油、天然氣等不可再生資源的需求越來越大，使得石油等資源的供應(yīng)面臨著巨大的壓力。在地下石油和天然氣開采領(lǐng)域，定向鉆井技術(shù)起著越來越重要的作用，其中，鉆頭處軌跡參數(shù)的動態(tài)精確獲取成為定向鉆井領(lǐng)域最為前沿的課題。現(xiàn)在國外已經(jīng)開發(fā)出基于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的近鉆頭傳感器，可以測量距離鉆頭1m范圍內(nèi)的井斜、動態(tài)電阻率等參數(shù)，實時掌握所鉆地層的情況。但是，這種近鉆頭井下隨鉆測量設(shè)備的技術(shù)難度大，成本高，在石油和天然氣開采中還沒有被普遍使用。

目前，主要采用井斜測井方法，利用磁北針和方位環(huán)形電位器測量井軸的傾角和方位角，來得到井下鉆具的鉆進方向。

但是，這種測量方法只能進行定點靜態(tài)測量，測量精度和實時性差，而為了提高精度，一般可以通過加密測點的方法，但是，測點加密后，會降低鉆井效率。同時，在近鉆頭井斜測量方法中，存在較多方面的誤差，而目前對于誤差的修正不完善，導(dǎo)致測量結(jié)果有較大偏差，不能準確的獲知井軸的傾角和方位角。另外，由于井下作業(yè)環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)的實時傳輸實現(xiàn)較為困難，因此，動態(tài)實時測量難度較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種近鉆頭動態(tài)井斜測量裝置和方法，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的前述問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種近鉆頭動態(tài)井斜測量裝置，包括：抗壓筒和鉆頭，所述抗壓筒從上至下依次安裝有：液壓設(shè)備、電氣設(shè)備和傳感器設(shè)備，所述傳感器設(shè)備和所述液壓設(shè)備均與所述電氣設(shè)備數(shù)據(jù)連接，所述抗壓筒的下部連接有所述鉆頭，所述液壓設(shè)備與所述鉆頭數(shù)據(jù)連接；

所述傳感器設(shè)備包括第一傳感器組和第二傳感器組，所述第一傳感器組包括第一徑向加速度計、第一切向加速度計和第一軸向加速度計，所述第二傳感器組包括第二徑向加速度計、第二切向加速度計和第二軸向加速度計，所述第一傳感器組和所述第二傳感器組分別用于測量旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具總加速度在徑向、切向和軸向的分量；所述第一傳感器組和所述第二傳感器組在所述抗壓筒上徑向?qū)ΨQ安裝，且安裝位置距所述抗壓筒軸線的距離相等。

優(yōu)選地，所述電氣設(shè)備包括數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊和控制模塊，所述數(shù)據(jù)處理模塊與所述傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)連接，所述控制模塊與所述液壓設(shè)備數(shù)據(jù)連接，所述通信模塊和所述數(shù)據(jù)處理模塊均與所述控制模塊數(shù)據(jù)連接。

優(yōu)選地，所述電氣設(shè)備還包括高壓電源模塊，所述高壓電源模塊分別與所述數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊和控制模塊連接。

一種近鉆頭動態(tài)井斜測量方法，包括如下步驟：

s1a，利用上述的近鉆頭動態(tài)井斜測量裝置測量旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具總加速度在徑向和切向的分量；

s2a，根據(jù)s1a中測量得到的總加速度在徑向和切向的分量，分別計算重力加速度在徑向和切向的分量值gx和gy；

s3a，根據(jù)如下公式計算井斜：

優(yōu)選地，s2中，gx按照如下公式計算得到：

ax1＝ac-gx，

ax2＝-ac-gx，

式中，

ax1為總加速度在第一徑向加速度計處沿徑向方向的分量；

ax2為總加速度在第二徑向加速度計處沿徑向方向的分量；

ac為徑向加速度，

gx為重力加速度g沿x軸方向的分量；

gy按照如下公式計算得到：

ay1＝at-gy，

ay2＝-at-gy，

式中，

ay1為總加速度在第一切向加速度計處沿切向方向的分量；

ay2為總加速度在第二切向加速度計處沿切向方向的分量；

at為切向加速度，

gy為重力加速度g沿y軸方向的分量。

一種近鉆頭動態(tài)井斜測量方法，包括如下步驟：

s1b，利用上述的近鉆頭動態(tài)井斜測量裝置測量旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具總加速度在徑向、切向和軸向的分量；

s2b，根據(jù)s1b中測量得到的總加速度在徑向、切向和軸向的分量，分別計算重力加速度在徑向、切向和軸向的分量值gx、gy和gz；

s3b，根據(jù)如下公式計算井斜：

優(yōu)選地，s2b中，gx按照如下公式計算得到：

ax1＝ac-gx，

ax2＝-ac-gx，

式中，

ax1為總加速度在第一徑向加速度計處沿徑向方向的分量；

ax2為總加速度在第二徑向加速度計處沿徑向方向的分量；

ac為徑向加速度，

gx為重力加速度g沿x軸方向的分量；

gy按照如下公式計算得到：

ay1＝at-gy，

ay2＝-at-gy，

式中，

ay1為總加速度在第一切向加速度計處沿切向方向的分量；

ay2為總加速度在第二切向加速度計處沿切向方向的分量；

at為切向加速度，

gy為重力加速度g沿y軸方向的分量；

gz按照如下公式計算得到：

az1為總加速度在第一軸向加速度計處沿軸向方向的分量；

az2為總加速度在第二軸向加速度計處沿軸向方向的分量；

gz為重力加速度g沿z軸方向的分量。

優(yōu)選地，s3b中，gx、gy、gz均為在一段時間內(nèi)的平均值。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明實施例提供的一種近鉆頭動態(tài)井斜測量裝置和方法，通過采用三軸傳感器組對稱布置的方式，測量總加速度在三軸(徑向、切向和軸向)的分量，再根據(jù)力的合成原理計算得到重力加速度在三軸(徑向、切向和軸向)的分量，進而利用井斜的計算公式得到其結(jié)果。這種井斜測量裝置和方法，由于三軸傳感器組安裝在近鉆頭處，測量結(jié)果相對于鉆頭位置滯后較小，所以，可以實現(xiàn)近鉆頭處井斜的實時測量。而且，本發(fā)明中，利用抗壓筒的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的加速度和重力加速度分量的關(guān)系，實現(xiàn)動態(tài)下井斜數(shù)據(jù)的測量，實用性強，更有利于控制井眼軌跡，提高鉆進效率和采收率；而且只需要兩組加速度計就可以實現(xiàn)井斜的動態(tài)測量，具有體積小、重量輕，便于井下作業(yè)等優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的近鉆頭動態(tài)井斜測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是傳感器設(shè)備布局結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2的a-a剖視圖；

圖4是加速度的分解示意圖。

圖中，各符號的含義如下：

1、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具；2、液壓設(shè)備；3、電氣設(shè)備；4、傳感器設(shè)備；4a、第一傳感器組；4b、第二傳感器組；5、鉆頭；6、抗壓筒；7、數(shù)據(jù)處理模塊；8、高壓電源模塊。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施方式僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例一

如圖1-3所示，本發(fā)明實施例提供了一種近鉆頭動態(tài)井斜測量裝置，包括：抗壓筒6和鉆頭5，抗壓筒6從上至下依次安裝有：液壓設(shè)備2、電氣設(shè)備3和傳感器設(shè)備4，傳感器設(shè)備4和液壓設(shè)備2均與電氣設(shè)備3數(shù)據(jù)連接，抗壓筒6的下部連接有鉆頭5，液壓設(shè)備2與鉆頭5數(shù)據(jù)連接；

傳感器設(shè)備4包括第一傳感器組4a和第二傳感器組4b，第一傳感器組4a包括第一徑向加速度計、第一切向加速度計和第一軸向加速度計，第二傳感器組4b包括第二徑向加速度計、第二切向加速度計和第二軸向加速度計，第一傳感器組4a和第二傳感器組4b分別用于測量旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具總加速度在徑向、切向和軸向的分量；第一傳感器組4a和第二傳感器組4b在抗壓筒6上徑向?qū)ΨQ安裝，且安裝位置距抗壓筒6軸線的距離相等。

上述結(jié)構(gòu)的近鉆頭動態(tài)井斜測量裝置，其工作原理為：

通過在抗壓筒上徑向?qū)ΨQ安裝兩組三軸加速度計，分別測量加速度計所在位置的各軸加速度數(shù)據(jù)，兩組三軸加速度計將測量得到的所在位置的各軸加速度數(shù)據(jù)通過通信模塊發(fā)送至電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)處理模塊中，數(shù)據(jù)處理模塊進行以下處理：將重力加速度沿上述各軸的方向進行分解，根據(jù)測量得到的總加速度在各軸上的分量，計算得到重力加速度在各軸的分量值，進而計算得到井斜數(shù)據(jù)。并將計算得到的井斜數(shù)據(jù)發(fā)送至控制模塊，控制模塊根據(jù)井斜數(shù)據(jù)，對液壓設(shè)備進行控制，液壓設(shè)備執(zhí)行控制指令，從而完成對鉆頭的控制。同時，數(shù)據(jù)處理模塊將計算得到的井斜數(shù)據(jù)通過通信模塊發(fā)送至地面，以便地面人員能夠即時調(diào)整鉆進方向，使鉆具保持更加合理的鉆進軌跡。

由于在抗壓筒旋轉(zhuǎn)的過程中，在徑向、切向和軸向均產(chǎn)生加速度，而且各加速度的大小和方向不斷變化，所以，采用本申請的裝置，可以測量得到各軸的實時加速度數(shù)據(jù)，進而計算得到實時井斜數(shù)據(jù)，因此，實現(xiàn)了井斜數(shù)據(jù)的動態(tài)測量。

其中，如圖4所示，將重力加速度沿上述各軸的方向進行分解，根據(jù)測量得到的總加速度在各軸上的分量，計算得到重力加速度在各軸的分量值，進而計算得到井斜數(shù)據(jù)，具體可以按照如下方法進行實施：

s1a，利用實施例一所述的近鉆頭動態(tài)井斜測量裝置測量旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具總加速度在徑向和切向的分量；

s2a，根據(jù)s1a中測量得到的總加速度在徑向和切向的分量，分別計算重力加速度在徑向和切向的分量值gx和gy；

s3a，根據(jù)如下公式計算井斜：

其中，s2a中，gx可以按照如下公式計算得到：

ax1＝ac-gx，

ax2＝-ac-gx，

式中，

ax1為總加速度在第一徑向加速度計處沿徑向的分量；

ax2為總加速度在第二徑向加速度計處沿徑向的分量；

ac為徑向加速度，

gx為重力加速度g沿徑向x軸的分量；

gy可以按照如下公式計算得到：

ay1＝at-gy，

ay2＝-at-gy，

式中，

ay1為總加速度在第一切向加速度計處沿徑向的分量；

ay2為總加速度在第二切向加速度計處沿徑向的分量；

at為切向加速度，

gy為重力加速度g沿切向y軸的分量。

該實施過程中，沒有考慮沖擊和振動造成的加速度分量，在給定條件下，側(cè)向加速度基本上都是單向的，因此可以將其類比為重力加速度的一種。因此，振動加速度分量可以以重力加速度的形式被抵消，在重力測量方面，對于振動加速度的影響可以用一些方式做出補償，比如在一些情況下利用gx、gy和gz的平均值，消除振動加速度的影響。

此時，井斜的計算方法為

gx和gy可以按照上述方法計算得到，gz可以按照如下方法計算得到：

az1為總加速度在第一軸向加速度計處沿軸向方向的分量；

az2為總加速度在第二軸向加速度計處沿軸向方向的分量；

gz為重力加速度g沿z軸方向的分量；

az1為總加速度在第一軸向加速度計處沿軸向方向的分量；

az2為總加速度在第二軸向加速度計處沿軸向方向的分量；

gz為重力加速度g沿z軸方向的分量。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，電氣設(shè)備3包括數(shù)據(jù)處理模塊7、通信模塊和控制模塊，數(shù)據(jù)處理模塊7與傳感器設(shè)備4數(shù)據(jù)連接，所述控制模塊與液壓設(shè)備2數(shù)據(jù)連接，所述通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊7均與所述控制模塊數(shù)據(jù)連接。

在本發(fā)明的又一個優(yōu)選實施例中，電氣設(shè)備3還包括高壓電源模塊8，高壓電源模塊8分別與數(shù)據(jù)處理模塊7、通信模塊和控制模塊連接。

實施例二

本發(fā)明實施例提供了一種近鉆頭動態(tài)井斜測量方法，包括如下步驟：

s1a，利用實施例一所述的近鉆頭動態(tài)井斜測量裝置測量旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具總加速度在徑向和切向的分量；

s2a，根據(jù)s1a中測量得到的總加速度在徑向和切向的分量，分別計算重力加速度在徑向和切向的分量值gx和gy；

s3a，根據(jù)如下公式計算井斜：

其中，s2a中，gx可以按照如下公式計算得到：

ax1＝ac-gx，

ax2＝-ac-gx，

式中，

ax1為總加速度在第一徑向加速度計處沿徑向的分量；

ax2為總加速度在第二徑向加速度計處沿徑向的分量；

ac為徑向加速度，

gx為重力加速度g沿x軸的分量；

gy可以按照如下公式計算得到：

ay1＝at-gy，

ay2＝-at-gy，

式中，

ay1為總加速度在第一切向加速度計處沿徑向的分量；

ay2為總加速度在第二切向加速度計處沿徑向的分量；

at為切向加速度，

gy為重力加速度g沿y軸的分量。

上述方法中，如圖4所示的加速度分析圖，兩組加速度計分別測量所在位置的總加速度分量，抗壓筒旋轉(zhuǎn)時，在徑向和切向方向產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，已知測量所得的各軸加速度分量，由于加速度計徑向?qū)ΨQ布置，所以在加速度計方向上的徑向和切向加速度方向相反。

在徑向方向，第一徑向加速度計和第二徑向加速度計測得的所在位置的總加速度在徑向的分量可以表示為：

ax1＝ac-gx(1)

ax2＝-ac-gx(2)

同樣的，在切向方向，第一切向加速度計和第二切向加速度計測得的所在位置的總加速度在切向的分量可以表示為：

ay1＝at-gy(3)

ay2＝-at-gy(4)

將式(1)和式(2)相加，消掉在兩個加速度計處的徑向加速度，得到用總加速度的徑向加速度分量表示的重力加速度在徑向軸上的分量：

將式(3)和式(4)相加，消掉在兩個加速度計處的切向加速度，得到用總加速度的切向加速度分量表示的重力加速度在切向軸上的分量：

則井斜由下式所得：

0.6366表示正弦波形絕對值的平均值，在圖4所示中，抗壓筒的旋轉(zhuǎn)方向為逆時針方向，當(dāng)順時針方向時，相應(yīng)的抗壓筒的切向加速度方向需要進行調(diào)整。

實施例三

本發(fā)明實施例提供了一種近鉆頭動態(tài)井斜測量方法，包括如下步驟：

s1b，利用實施例一所述的近鉆頭動態(tài)井斜測量裝置測量旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具總加速度在徑向、切向和軸向的分量；

s2b，根據(jù)s1b中測量得到的總加速度在徑向、切向和軸向的分量，分別計算重力加速度在徑向、切向和軸向的分量值gx、gy和gz；

s3b，根據(jù)如下公式計算井斜：

其中，s2b中，gx可以按照如下公式計算得到：

ax1＝ac-gx，

ax2＝-ac-gx，

式中，

ax1為總加速度在第一徑向加速度計處沿徑向的分量；

ax2為總加速度在第二徑向加速度計處沿徑向的分量；

ac為徑向加速度，

gx為重力加速度g沿x軸的分量；

gy可以按照如下公式計算得到：

ay1＝at-gy，

ay2＝-at-gy，

式中，

ay1為總加速度在第一切向加速度計處沿徑向的分量；

ay2為總加速度在第二切向加速度計處沿徑向的分量；

at為切向加速度，

gy為重力加速度g沿y軸的分量；

gz可以按照如下公式計算得到：

az1為總加速度在第一軸向加速度計處沿軸向方向的分量；

az2為總加速度在第二軸向加速度計處沿軸向方向的分量；

gz為重力加速度g沿z軸方向的分量。

在實施例二中，沒有考慮沖擊和振動造成的加速度分量，計算過程中也沒有計入這樣的加速度分量。在給定條件下，側(cè)向加速度基本上都是單向的，因此可以將其類比為重力加速度的一種。因此，振動加速度分量可以以重力加速度的形式被抵消，在重力測量方面，對于振動加速度的影響可以用一些方式做出補償，比如在一些情況下利用gx、gy和gz的平均值，消除振動加速度的影響。

此時，井斜的計算方法可以為：

通過采用本發(fā)明公開的上述技術(shù)方案，得到了如下有益的效果：本發(fā)明實施例提供的一種近鉆頭動態(tài)井斜測量裝置和方法，通過采用三軸傳感器組對稱布置的方式，測量總加速度在三軸(徑向、切向和軸向)的分量，再根據(jù)力的合成原理計算得到重力加速度在三軸(徑向、切向和軸向)的分量，進而利用井斜的計算公式得到其結(jié)果。這種井斜測量裝置和方法，由于三軸傳感器組安裝在近鉆頭處，測量結(jié)果相對于鉆頭位置滯后較小，所以，可以實現(xiàn)近鉆頭處井斜的實時測量。而且，本發(fā)明中，利用抗壓筒的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的加速度和重力加速度分量的關(guān)系，實現(xiàn)動態(tài)下井斜數(shù)據(jù)的測量，實用性強，更有利于控制井眼軌跡，提高鉆進效率和采收率；而且只需要兩組加速度計就可以實現(xiàn)井斜的動態(tài)測量，具有體積小、重量輕，便于井下作業(yè)等優(yōu)點。

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。

本領(lǐng)域人員應(yīng)該理解的是，上述實施例提供的方法步驟的時序可根據(jù)實際情況進行適應(yīng)性調(diào)整，也可根據(jù)實際情況并發(fā)進行。

上述實施例涉及的方法中的全部或部分步驟可以通過程序來指令相關(guān)的硬件來完成，所述的程序可以存儲于計算機設(shè)備可讀取的存儲介質(zhì)中，用于執(zhí)行上述各實施例方法所述的全部或部分步驟。所述計算機設(shè)備，例如：個人計算機、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、智能移動終端、智能家居設(shè)備、穿戴式智能設(shè)備、車載智能設(shè)備等；所述的存儲介質(zhì)，例如：ram、rom、磁碟、磁帶、光盤、閃存、u盤、移動硬盤、存儲卡、記憶棒、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器存儲、網(wǎng)絡(luò)云存儲等。

最后，還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、商品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、商品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、商品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視本發(fā)明的保護范圍。